تلسكوب جيمس ويب الفضائي: الأصول والتصميم وأهداف المهمة

بالعربي/ ما الذي سيسمح لنا تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا برؤيته؟

يمتلك تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) الكثير ليحققه كخليفة لتلسكوب هابل الفضائي. في العقود الثلاثة التي انقضت منذ إطلاقه في عام 1990 ، كشف هابل عن عجائب الكون بتفاصيل غير مسبوقة. تم استخدامه لدراسة الموضوعات المتطورة مثل الطاقة المظلمة والكواكب الخارجية التي لم يكن يحلم بها كثيرًا عندما بدأ العمل. بالإضافة إلى ذلك ، فقد استحوذ على خيال الجمهور لدرجة أنه أصبح الآن اسمًا مألوفًا. 

سيتم تشغيل تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، المعروف باسم ويب (مثل “هابل”) ، بشكل أساسي من قبل وكالة ناسا ، التي توفر الجزء الأكبر من التمويل ، مع وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) كشريك صغير. سمي التلسكوب على اسم أحد المسؤولين الأوائل في ناسا ، جيمس إي.ويب ، الذي أشرف على إنشاء برنامج أبولو في الستينيات ، وفقًا لوكالة ناسا .

كان ذلك في عام 2002 ، منذ ما يقرب من 20 عامًا ، تم تطبيق اسم ويب لأول مرة على ما كان يشار إليه سابقًا باسم “تلسكوب الفضاء من الجيل التالي”. وذكرت صحيفة اتلانتيك أن هذا كان مقررا في الأصل أن يتكلف نصف مليار دولار وأن يكون جاهزا للإطلاق في عام 2007 .

ومع ذلك ، تبين أن هذه التقديرات كانت مفرطة في التفاؤل بشكل ميؤوس منه ، نظرًا للتصميم المعقد والمبتكر للغاية للمركبة الفضائية. بحلول الوقت الذي تم إطلاقه أخيرًا ، نأمل قبل نهاية عام 2021 ، سيكون قد كلف ما يقرب من عشرة مليارات دولار ، وفقًا لموقع ProfoundSpace.org .

ومع ذلك ، يعتقد العلماء المشاركون في المشروع أن النتائج ستعوض أكثر من الوقت والمال المستثمر فيه. تحرص وكالة ناسا على التأكيد على أن ويب ليس مجرد بديل أكبر وأكثر قوة لتلسكوب هابل. في حين أن هذين الأمرين – مع قطر أكثر من مرتين ونصف المرة وحساسية مائة مرة – فإن JWST هو في جوهره نوع مختلف من الأدوات تمامًا. 

ترى التلسكوبات البصرية العادية في نفس الجزء من الطيف مثل أعيننا ، وتغطي نطاقًا من الأطوال الموجية بين حوالي 380 و 740 نانومتر (نانومتر) ، كما ذكرت Live Science سابقًا . امتد هابل كل هذا ، بالإضافة إلى مسافة قصيرة في الأشعة فوق البنفسجية بأطوال موجية أقصر والأشعة تحت الحمراء في موجات أطول. 

لكن JWST سيكون في الأساس تلسكوبًا يعمل بالأشعة تحت الحمراء ، محسّنًا من 600 إلى 28000 نانومتر ، وفقًا لموقع JWST التابع لناسا . لذلك لن يكون قادرًا على رؤية الضوء الأخضر أو ​​الأزرق ، فقط البرتقالي والأحمر – بالإضافة إلى نطاق واسع من الأطوال الموجية الأطول وراء ذلك.

بالنسبة للعديد من الأجسام الفلكية – بما في ذلك مناطق تشكل النجوم والكواكب الخارجية وأبعد المجرات – تعد هذه الأطوال الموجية الطويلة جدًا مفيدة لعلماء الفلك أكثر من الطيف المرئي . لكن الأشعة تحت الحمراء تطرح مشاكل للمراقبين الأرضيين ، لأن الكثير منها محجوب بواسطة الغلاف الجوي لكوكبنا ، وفقًا لجامعة سانت أندروز . 

علاوة على ذلك ، تنتج الأرض انبعاثات الأشعة تحت الحمراء الخاصة بها عبر الإشعاع الحراري ، والذي يميل إلى غمر المصادر الفلكية الخافتة. لذا فإن أفضل مكان لتلسكوب الأشعة تحت الحمراء هو في الفضاء ، بعيدًا قدر الإمكان عن الأرض وجميع مصادر الحرارة غير المرغوب فيها.

على خطى مرصد هيرشل للأشعة تحت الحمراء التابع لوكالة الفضاء الأوروبية ، سيقع تلسكوب ويب على بعد 1.5 مليون كيلومتر من الأرض عند ما يسمى نقطة L2 ، وفقًا لموقع JWST التابع لناسا. 

سيعطيها هذا رؤية أكثر وضوحًا للكون من تلك التي يمتلكها هابل في مدار أرضي منخفض ، لكن له جانبًا سلبيًا. على عكس سابقتها ، لن يكون إرسال رواد فضاء لإصلاحه في حالة تعطله أمرًا بسيطًا نسبيًا. يجب أن يعمل كل شيء بشكل مثالي في المحاولة الأولى ، وهو أحد الأسباب التي جعلت ناسا تأخذ أفضل جزء من عقدين من الزمن لتجهيزها للإطلاق.

كيف يعمل تلسكوب جيمس ويب الفضائي؟

خارجيًا ، يبدو JWST مختلفًا تمامًا عن تلسكوب هابل. هذا الأخير ، تمامًا مثل التلسكوب التقليدي ، محاط بأنبوب أسطواني يحمي البصريات من الضوء الشارد. اعتمادًا على موقعه في مداره ، يمكن أن يتعرض هابل للكثير من هذا: أشعة الشمس الحارقة من اتجاه واحد ، وانعكاسات من سطح الأرض في اتجاه آخر ، وربما حتى القمر .

لكن ويب أكثر حظًا. من النقطة L2 ، تكون كل هذه المصادر الساطعة في نفس الاتجاه تقريبًا ، لذا فإن كل ما يحتاجه التلسكوب هو حاجب شمس كبير واحد. البصريات العارية ، على شكل مرايا أولية وثانوية ، تجلس فوق هذا. تبدو النتيجة ، للوهلة الأولى ، مثل تلسكوب لاسلكي أكثر من كونها بصرية.

ومع ذلك ، فمن الناحية الوظيفية ، تم بناء كل من Webb و Hubble على نفس المبادئ. كلاهما مبنيان حول مرآة أساسية كبيرة ، والتي لها مهمة حاسمة في التقاط أكبر قدر ممكن من الضوء من الأشياء التي قد تكون على حافة الكون المرئي. في جوهرها ، كلما كانت هذه المرآة أكبر ، كان ذلك أفضل. 

في حالة هابل يبلغ قطرها 8 أقدام (2.4 متر) ، وهي مصنوعة من قطعة دائرية واحدة من الزجاج. إذا تم رفع هذا الحجم إلى الحجم المطلوب لـ JWST – حوالي 21.3 قدمًا (6.5 مترًا) – فلن يكون من الصعب جدًا تصنيعه فحسب ، ولكن النتيجة ستكون كبيرة جدًا وثقيلة جدًا ليتم إطلاقها في الفضاء ، وفقًا لوكالة ناسا .

بدلاً من ذلك ، يتم إنشاء مرآة Webb من 18 مقطعًا سداسيًا ، والتي يمكن طيها للإطلاق ثم نشرها في تكوين تشغيلي مرة واحدة في الفضاء. على الرغم من أن وكالة ناسا فكرت في صنع شرائح من الزجاج ، مثل مرآة هابل ، فقد استخدموا في النهاية البريليوم: معدن قوي جدًا وخفيف الوزن يستخدم عادة في الطائرات عالية السرعة والمركبات الفضائية. 

هذا يحتاج إلى أن يتم تشكيله وصقله بدقة عالية للغاية من أجل إنتاج الصور بالوضوح اللازم ؛ تقدر ناسا خطأ التلميع بأنه أقل من جزء من مليون من البوصة. بعد تحقيق الشكل المطلوب ، تم طلاء مقاطع المرآة بطبقة رقيقة من الذهب الخالص ، لتعظيم الانعكاسية في أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء.

عندما يتم تجميع جميع المقاطع معًا ، فإنها تحقق القطر المطلوب البالغ 6.5 مترًا للمرآة الرئيسية. هذا أكبر بحوالي 2.7 مرة من هابل ، لكن تحسين الأداء الفعلي أكبر بكثير من هذا. 

ذلك لأن قوة المرآة في جمع الضوء تتناسب مع مساحتها وليس قطرها. للسماح بالشكل السداسي للأجزاء والفتحة الموجودة في المركز ، تبلغ المساحة الفعالة لمرآة ويب 269 قدمًا مربعًا (25 مترًا مربعًا) ، مقارنة بـ 43 قدمًا مربعًا (أربعة أمتار مربعة) لتلسكوب هابل. هذا يعادل تحسين الأداء أفضل من ستة أضعاف.

حاجب الشمس في JWST

يقع JWST عند النقطة L2 ، في ضوء الشمس الساطع المستمر. يعد هذا أمرًا صحيًا بالنسبة للمعدات الموجودة في حافلة المركبة الفضائية ، ولكنه يمثل أخبارًا سيئة بالنسبة للأجهزة البصرية والوحدة العلمية. نظرًا لأنهم يرصدون عبر الأشعة تحت الحمراء ، يجب أن تظل باردة قدر الإمكان حتى تعمل بشكل صحيح. 

لذلك سيتم فصل نصفي المركبة الفضائية بواسطة حاجب شمسي ضخم على شكل طائرة ورقية من خمس طبقات بحجم ملعب التنس تقريبًا. في حين أن الجانب المضاء بنور الشمس قد يصل إلى درجة حرارة 212 درجة فهرنهايت (100 درجة مئوية) ، فإن الجانب البارد سيكون أقل من 394 فهرنهايت (ناقص 237 درجة مئوية) وفقًا لموقع JWST التابع لناسا.

لماذا الأجهزة البصرية JWT ترصد الأشعة تحت الحمراء؟

عادة ما نفكر في علم الفلك من منظور الضوء المرئي ، لأن هذا ما تراه أعيننا والتلسكوبات التقليدية. لكن الأجسام الفلكية تنتج انبعاثات عبر كامل الطيف الكهرومغناطيسي ، من موجات الراديو ذات الطول الموجي الطويل جدًا إلى الأشعة السينية ذات الطول الموجي القصير وأشعة جاما . تطورت أعيننا لترى الأطوال الموجية التي تقوم بها لأن هذا هو المكان الذي تنبعث منه الشمس معظم طاقتها ، لكن الأجسام الأكثر برودة ، مثل الكواكب والنجوم حديثة التكوين ، تميل إلى الإشعاع بأطوال موجية أطول من هذا ، وفقًا لبحث نُشر في مجلة العين . 

هذا هو أحد الأسباب التي تجعل تلسكوبات الأشعة تحت الحمراء مثل Webb (وسابقه ، تلسكوب Spitzer الفضائي التابع لناسا ، والذي عمل بين عامي 2003 و 2020) مهمًا للغاية. والسبب الثاني هو أنه بينما يمتص الغبار الموجود في المجرات الضوء المرئي ، فإنه يكاد يكون شفافًا لموجات الأشعة تحت الحمراء. هذا يعني أنه حتى النجوم الشبيهة بالشمس يمكن أن تكون أسهل في الرؤية في الأشعة تحت الحمراء إذا كان هناك الكثير من الغبار المتداخل ، وفقًا لوكالة ناسا.

ما هي أهداف مهمة JWST؟

الهدف 1: الكون المبكرAdvertisement

يوصف ويب أحيانًا بأنه “آلة الزمن” ، وهي كذلك بمعنى ما. نظرًا لأن الضوء من الأشياء البعيدة ينتقل بسرعة محدودة ، فإننا نراها كما كانت في الماضي. أظهر لنا هابل المجرات كما كانت قبل عدة بلايين من السنين ، لكن تلسكوب JWST سيكون أكثر حساسية. تأمل ناسا أنها ستشهد طريق العودة إلى وقت تشكل المجرات الأولى ، منذ حوالي 13.6 مليار سنة. ولويب ميزة أخرى على التلسكوبات ذات النطاق المرئي مثل هابل. 

نظرًا لأن الكون يتمدد ، يتمدد الضوء القادم من الأجسام البعيدة ، مما يزيد من طوله الموجي. هذا يعني أن الضوء المنبعث من النطاق الموجي المرئي يصل إلينا بالفعل في الأشعة تحت الحمراء ، وهو النطاق الذي تم تحسين JWST من أجله. ستكون إحدى مهامه الأولى إجراء مسح ، يسمى COSMOS-Webb ، لأبعد المجرات في بقعة معينة من السماء ، لاستكشاف الظروف في فجر الكون.

الهدف 2: المجرات بمرور الوقت

بفضل صور هابل المذهلة ، يعرف معظم الناس كيف تبدو المجرات: مجموعات ضخمة من النجوم ، غالبًا ما يتم ترتيبها في أنماط حلزونية متناظرة بأناقة. لكن هذه المجرات تميل إلى أن تكون قريبة نسبيًا ، وبالتالي فهي مجرات ناضجة. تشير اللمحات المحيرة التي قدمها هابل عن المجرات المبكرة جدًا إلى أنها أصغر حجمًا وأقل مظهرًا. 

حتى الآن ، لا أحد يعرف كيف تشكلت هذه المجرات البدائية ، أو كيف تجمعت فيما بعد لإنتاج المجرات الأكبر ذات المظهر المنتظم التي نراها اليوم ، وفقًا لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا . من المأمول أن يتمكن Webb من الإجابة على أسئلة مثل هذه بنظرته العميقة جدًا للكون المبكر.

ميزة أخرى راسخة للمجرات هي وجود ثقوب سوداء فائقة الكتلة في مراكز معظمها. في بدايات الكون ، غالبًا ما كانت هذه الثقوب السوداء تعمل على تغذية نوى مجرية لامعة بشكل هائل تسمى الكوازارات ، ومن المقرر أن يدرس ويب ستة من أكثر الأمثلة بُعدًا وإشراقًا منها.

الهدف 3: دورة حياة النجوم

نشأت المجرات التي تملأ الكون في وقت مبكر جدًا ، وتطورت بشكل مطرد منذ ذلك الحين. لكن هذا ليس صحيحًا بالنسبة للنجوم الموجودة بداخلها ، والتي تمر بدورات حياة أقرب إلى الكائنات الحية. إنهم يولدون ويتطورون ويشيرون ويموتون ، وتساهم بقايا النجوم القديمة في المادة الخام اللازمة لصنع نجوم جديدة. الكثير من هذه العملية مفهومة جيدًا ، ولكن لا يزال هناك لغز يحيط بالولادة الفعلية للنجوم وأقراص الكواكب التي قد تتشكل حولها. 

هذا لأن هذه الأشياء مغلفة في البداية داخل شرنقة من الغبار ، والتي لا تستطيع التلسكوبات العادية التي تستخدم الضوء المرئي اختراقها. لكن كل هذا الغبار سيكون شفافًا فعليًا عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء التي يستخدمها ويب ، لذلك تأمل ناسا أن تكشف أخيرًا الأسرار النهائية لتشكيل النجوم. في المقابل ، قد يعلمنا هذا شيئًا عن أصول الشمس ونظامنا الشمسي .

الهدف 4: عوالم أخرى

أحد أكثر المجالات إثارة في علم الفلك المعاصر هو البحث عن الكواكب الخارجية التي تدور حول نجوم أخرى ، وخاصة الكواكب الشبيهة بالأرض التي قد تحتوي على المكونات الكيميائية والظروف اللازمة لتطور الحياة. سيساهم JWST في هذا البحث بعدة طرق ، باستخدام التصوير بالأشعة تحت الحمراء والتحليل الطيفي لدراسة الخصائص الكيميائية والفيزيائية لأنظمة الكواكب. 

يجب أن توفر لنا قدرتها على النظر من خلال الغبار والتقاط صور فائقة الدقة رؤية مباشرة لأنظمة الكواكب – مثل تلك الخاصة بالنجم المشكل حديثًا Beta Pictoris – في مراحلها الأولى ، وفقًا لموقع JWST التابع لناسا. سيحلل ويب أيضًا التركيب الكيميائي للأغلفة الجوية للكواكب الخارجية ، ويبحث بشكل خاص عن الإشارات الدالة على اللبنات الأساسية للحياة. هذا مرة أخرى هو شيء يناسب تلسكوب الأشعة تحت الحمراء بشكل مثالي ، لأن الجزيئات التي تشكل الأغلفة الجوية للكواكب تميل إلى أن تكون أكثر نشاطًا عند هذه الأطوال الموجية.

متى سيتم إطلاق JWST؟

الميزة الرئيسية لتصميم ويب هي أنه يحتوي على “جانب بارد” و “جانب ساخن”. الجانب البارد هو الذي يقوم بالرصد ، بينما يحمل الجانب الساخن الألواح الشمسية للمركبة الفضائية وهوائي للاتصال ثنائي الاتجاه مع الأرض. لكن هذا الترتيب لا يعمل إلا إذا كانت الشمس والأرض دائمًا في نفس الاتجاه من وجهة نظر المركبة الفضائية. Advertisement

لن يكون هذا هو الحال إذا تم وضعه ببساطة في مدار الأرض مثل هابل ، ولن يكون صحيحًا إذا كانت المركبة الفضائية تدور حول الشمس على مسافة مختلفة قليلاً عن مدار الأرض. ولكن اتضح أن هناك مسافة خاصة واحدة يمكن فيها لأي جسم أن يدور حول الشمس ويرى دائمًا الشمس والأرض في نفس الاتجاه. هذه هي ما يسمى بنقطة L2 – حيث سيعمل تلسكوب ويب.

L2 هي واحدة من عدة مواقع تسمى نقاط لاغرانج ، بعد جوزيف لويس لاجرانج الذي درسها في القرن الثامن عشر. في هذه المواقع ، تتآمر جاذبية جسمين ضخمين (في هذه الحالة الشمس والأرض) للحفاظ على جسم ثالث أصغر (مثل كويكب أو مركبة فضائية) في وضع ثابت بالنسبة إلى الأولين. نقاط لاغرانج ليست ثابتة ، لكنها تدور حول الشمس بنفس معدل الأرض تمامًا ، لذلك تظل المسافة منا دائمًا كما هي. في حالة L2 ، يبعد حوالي 1.5 مليون كيلومتر: حوالي أربعة أضعاف البعد عن القمر.

للحصول على التلسكوب على طول الطريق إلى L2 يتطلب مركبة إطلاق قوية ، والتي ستكون صاروخ آريان 5 التابع لوكالة الفضاء الأوروبية. في غضون 26 دقيقة فقط بعد الإقلاع من غيانا الفرنسية ، سيحمل هذا Webb خاليًا من الغلاف الجوي للأرض ويضعه في مساره لـ L2. ستنفصل المركبة الفضائية بعد ذلك عن الصاروخ والرحلة البحرية لمدة شهر تقريبًا قبل أن تصل أخيرًا إلى وجهتها ، وفقًا لموقع JWST التابع لناسا.

سؤال وجواب مع عالم فيزياء فلكية

سألنا الدكتور مايك ماكلوين من ناسا عن آماله في التلسكوب الجديد.

ما نوع العلم الذي سيفعله التلسكوب في سنته الأولى؟

في السنة الأولى ، سيعمل برنامج المراقبة الخاص بـ Webb على تشغيل التدرج الكوني من الضوء الأول في الكون المبكر إلى الغلاف الجوي للكواكب الخارجية. سوف يلاحظ Webb الأشياء الأكثر إثارة للاهتمام في الكون بمزيج من الدقة المحسنة والحساسية وتغطية الطول الموجي. سيتيح هذا توصيفًا جديدًا ومحسّنًا للأشياء الشهيرة في السماء. إذا كان بإمكانك تسميته ، فمن المحتمل أن يلاحظه Webb ، على الرغم من أنه ربما لم يكن كله في السنة الأولى.

ما هي أكثر الاكتشافات إثارة التي قد يقوم بها JWST؟

عندما يكون لديك مرصد تحويلي مثل Webb ، فمن المرجح أن تكون أكثر الاكتشافات إثارة هي تلك التي لا نتوقعها حتى! ستمكننا عيون Webb التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء على الكون من رؤية الفضاء حيث كنا في السابق عمياء. ستساعد حساسيتها غير المسبوقة للأشعة تحت الحمراء علماء الفلك على مقارنة أقدم المجرات مع المجرات اللولبية والإهليلجية الكبيرة اليوم ، مما يساعدنا على فهم كيفية تجمع المجرات على مدى بلايين السنين. ستكون قادرة على الرؤية من خلال وإلى سحب ضخمة من الغبار غير شفافة لمراصد الضوء المرئي مثل هابل ، حيث تولد النجوم وأنظمة الكواكب. سيخبرنا ويب المزيد عن الغلاف الجوي للكواكب خارج المجموعة الشمسية ، وربما يجد اللبنات الأساسية للحياة في أماكن أخرى من الكون.

هل تعتقد أن Webb سيصبح اسمًا مألوفًا مثل Hubble؟

أتوقع ذلك تمامًا ، وأن الناس في جميع أنحاء العالم سيناقشون صور Webb أثناء الجلوس حول مائدة العشاء. على غرار هابل ، سينتج ويب صورًا مذهلة للكون ستأسر الخيال. نتوقع أن تنتشر صور Webb على الإنترنت ، وتظهر في التقويمات ، وتحتل مساحة على طاولات القهوة المنزلية.

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com